Книга: Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации
Назад: Глава 5 Первая и единая теория поля
Дальше: Вглубь микромира и во всю ширь Вселенной
Атомы, физика и этика
Самая первая перестройка фундамента физики произошла после двух веков царствования порядка, открытого Ньютоном. Главную роль в той перестройке сыграл Джеймс Максвелл, и эту роль трудно переоценить именно потому, что он ввел первое новое фундаментальное понятие после Ньютона. Чтобы представить себе смелость Максвелла, надо знать, какой ореол окружал имя Ньютона на его родине.
В центре Лондона — в Вестминстерском аббатстве — стоит надгробный памятник с надписью:
Здесь покоится Исаак Ньютон, который силой разума почти божественной, своими математическими методами исследовал движения и формы планет, пути комет, приливы океанов, различия световых лучей и свойства возникающих при этом цветов, о чем ранее никто не подозревал. Старательно, мудро и достоверно толкуя природу, древности и Священное Писание, он своей философией доказывал величие Божественного могущества и блага, а своей жизнью выражал евангельскую простоту. Возрадуйтесь, смертные, что существовало столь великое украшение рода человеческого!
Гораздо короче надпись на статуе Ньютона в Колледже Св. Троицы, в Кембридже, где он учился и работал:
Умом он превзошел весь род людской.
Это за 17 веков до Ньютона сказал римский поэт-философ Лукреций Кар о греческом философе Эпикуре, жившем еще тремя веками раньше.
Какое отношение такие древности имеют к новой физике? Они говорят о свободе мысли в Британии, а значит, и о свободе научной мысли. Ведь Эпикур знаменит своим атеистическим мировоззрением, и то, что в Кембриджском университете процитировали хвалебное слово одного атеиста о другом, говорит об интеллектуальном просторе для студентов, одним из которых — двумя веками позже Ньютона — стал 19-летний Джеймс Максвелл. Простор для свободы мысли в Великой Британии можно ощутить еще яснее, вспомнив, что сам выпускник Колледжа Св. Троицы, удостоенный статуи, отверг общепринятый догмат Троицы, а его коллега и друг Хэли (Галлей) был назначен королевским астрономом, несмотря на свой атеизм.
Что думал о Троице Максвелл, неизвестно, но ему, как и Ньютону, интереснее всего в жизни были две великие книги, о которых говорил Галилей, — Книга Природы и Библия. Родители Максвелла принадлежали к разным ветвям протестантизма, в детстве он бывал в обеих церквах, а совершеннолетним в Кембридже — без отрыва от учебы и науки — заново продумывал свое мировоззрение. Об этом 21-летний Джеймс писал своему другу:
Мой великий план — ничего не оставлять без исследования. Ничто не будет святой территорией с Неизменным Титулом, будь то положительным или отрицательным. <…> Христианство — то есть религия Библии — это единственная форма веры, открывающая все для исследования. Только здесь все свободно. Можешь летать до краев мира и не найдешь иного Бога, кроме Автора Спасения. Можешь обыскать всю Библию и не найдешь текст, который остановит тебя в твоих исследованиях.
Среди бумаг Максвелла нашли молитву:
Боже Всемогущий, создавший человека по образу Твоему и сделавший его душой живой, чтобы мог он стремиться к Тебе и властвовать над Твоими творениями, научи нас исследовать дела рук Твоих, чтобы мы могли осваивать землю нам на пользу и укреплять наш разум на службу Тебе…
Как Максвелл, с подобным отношением к науке, принимал слова атеиста об атеисте на статуе Ньютона? Максвелл знал, что Эпикур связывал этику с физикой, а в понимании «природы вещей» исходил из идеи атомов — одной из самых загадочных по происхождению в истории науки. Идею эту высказал Демокрит за сотню лет до Эпикура и за два тысячелетия до первых ее экспериментальных подтверждений. Согласно Демокриту, все «вещи» состоят из мельчайших частиц — атомов(по-гречески «неделимые»), а их движение, соединение и разъединение дают все наблюдаемые явления. И не только тело человека, но и душа его состоит из особых атомов. Так что жизнь и смерть — лишь разные состояния атомных образований. Поэтому, учил Эпикур, смерти бояться не следует: когда я есть, ее нет, а когда она есть, нет меня.
Греческие атомисты не сумели доказать атомизм всего сущего, но Лукреций в своей научно-философской поэме «О природе вещей» привел наглядные доводы в пользу атомной гипотезы, показав заодно, что познание освобождает от страхов. Поэма Лукреция — это гимн разуму и познанию, что вполне соответствовало устремлениям Ньютона и Максвелла.
К тому же они знали, что античные атомисты жили в мире многобожия: в поэме Лукреция слово «бог» употребляется лишь во множественном числе. Античный атеизм отрицал именно многобожие, и можно понять почему: олимпийским богам нечего делать в мире атомов, закономерно движущихся в пустоте. Само понятие закономерности несовместимо с прихотями олимпийцев. Аполлон велит атому лететь направо, Артемида — налево, так кого слушать? Библейское же представление о едином Боге-законодателе в античный мир еще не проникло.
Атомная гипотеза привлекала и Галилея и Ньютона, хоть и не привела их к осязаемым достижениям. Но к середине двадцатого века достижений было уже столько, что физик Ричард Фейнман подытожил:
Если бы некий катаклизм уничтожил все научные знания и к грядущим поколениям дошло бы только одно утверждение, то какое, составленное из наименьшего количества слов, содержало бы наибольшую информацию? Думаю, атомная гипотеза: все вещи состоят из атомов — маленьких частиц, которые беспрерывно движутся, притягивая друг друга на некоем расстоянии и отталкивая при большом сжатии. В одной этой фразе огромное количество информации о мире, стоит лишь приложить немного воображения и подумать.
Первые физические доводы в пользу атомов появились в семнадцатом веке, когда возникла идея о том, что давление газа на стенку сосуда — это результат ударов атомов, составляющих газ и движущихся беспорядочно во всех направлениях. Такое движение атомов рождает также ощущение тепла: чем быстрее атомы движутся, тем горячее. Из этой идеи, однако, не удалось извлечь измеримых следствий, и верх взяла идея попроще: тепло — это невидимая жидкость, перетекающая от горячего тела к холодному при их контакте.
На помощь атомной физике пришли химики, которые в начале девятнадцатого века заметили, что вещества вступают в химические реакции в целочисленных пропорциях типа 1:1, 1:2, 1:3, 2:3 и тому подобные. Это дало основание предположить, что суть химических реакций — соединение атомов, которые почему-то соединяются лишь с определенным числом других атомов. Такие соединения атомов — минимальные количества химических веществ — назвали молекулами. В простейшем случае молекулой может быть и один атом. Но это все пока — молекулярная химия.
А молекулярная физика создавалась на глазах Максвелла и при активном его участии. В картине атомно-молекулярного движения особенно озадачивала беспорядочность. Ведь наука занимается как раз упорядоченностью мироустройства?! Максвелл сумел обнаружить упорядоченность в беспорядке, когда он максимален, и нашел подходящий математический язык, чтобы описать эту упорядоченность, — теорию вероятностей, или, как говорили раньше, исчисление вероятностей. До Максвелла это исчисление применяли лишь к азартным играм и к скучной статистике. Хотя понятие вероятности, быть может, самое нужное в жизни, которая, как известно, — игра.
В любой порядочной игре не известен следующий ход соперника или судьбы. Но если, как советовал Фейнман, «приложить немного воображения и подумать», то в некоторых случаях можно оценить вероятности разных событий. К примеру, если в коробку с черными шарами в количестве Чбросить Ббелых шаров и хорошо перемешать, то вероятность вытащить из коробки наугад белый шар равна Б/(Ч+Б).
Если же вместо коробки с шарами взять емкость с газом, то движущиеся молекулы сами себя перемешивают, и поэтому можно спросить, какова вероятность того, что наугад выбранная молекула имеет такую-то скорость. Ответ Максвелла, или максвелловское распределение молекул газа по скоростям, — это первый физический закон, основанный на понятии вероятности.
Можно сомневаться, назвать ли этот результат новым законом природы, если Максвелл его получил, опираясь на законы механики Ньютона, «просто» применив их к молекулам. Однако то было совершенно новое применение и совершенно новый тип закона. Прежде законы механики определяли движение объекта, исходя из знания его начального положения, то есть описывали историю этого объекта. При огромном числе молекул газа такой — исторический — подход теряет смысл. И возникает новый — статистический, определяющий свойства данного газа: его давление на стенки сосуда, вязкость (или внутреннее трение), скорости распространения в этом газе тепла, запаха и так далее.
Некоторые из газовых законов были открыты экспериментально еще во времена Ньютона, начиная с закона Бойля (и Мариотта), согласно которому давление газа обратно пропорционально его объему. Молекулярная гипотеза позволила объяснить все эти законы и связать внешне столь разные явления, как диффузия, теплопроводность и вязкость.
Особенно драматичным стало объяснение вязкости. Из теории следовало, что вязкость газа не зависит от его плотности, что казалось странным, если не сказать абсурдным. Максвелл взялся за измерения, готовый опровергнуть собственный теоретический вывод. Он построил экспериментальную установку и обнаружил, что вязкость воздуха действительно постоянна в диапазоне 60-кратных плотностей. Это был триумф атомной гипотезы и, заодно, Максвелла.
Измерение наблюдаемых свойств газов позволило вычислить характеристики молекул — размеры, скорости и массы НЕНАБЛЮДАЕМЫХ, невообразимо малых молекул. Представить себе размер атома можно, мысленно увеличив яблоко до размера Земли, — тогда атомы яблока станут размером с яблоко, то есть яблоко так относится к Земле, как атом к яблоку.
Во времена Максвелла физики понятия не имели, что собой представляет атом и как именно атомы соединяются в молекулы. Незнание это, однако, не помешало понять молекулярную физику газов, поскольку основная жизнь молекулы газа проходит в свободном полете, и лишь малая ее часть тратится на столкновения. Поэтому свойства газа и определяются самыми простыми свойствами его молекул — массой и размером. Другое дело — жидкость и твердое тело, где молекулы расположены вплотную друг к другу.
К счастью физиков, они могли исследовать газы — не столь простые объекты, как маятники Галилея, но за два с лишним века экспериментаторы научились делать гораздо более тонкие и точные опыты. Искусство физика состоит в том, чтобы найти простой объект для изучения новых явлений, придумать простые опыты и… открыть законы этих явлений.
Главная награда за хорошо придуманные, сделанные и обдуманные опыты — открытие новой упорядоченности мироздания и расширение горизонта познания. Об этом в лекции «Теория молекул» Максвелл рассказал в 1874 году на собрании Британского общества содействия развитию науки.
